该研究成果是叶海峰团队继2017年智能手机超远程控制光控智能细胞治疗糖尿病研究成果（发表于Science Translational Medicine，封面文章）以及2018年远红光控制细胞命运研究成果（发表于美国科学院院刊PNAS）之后，历经4年研究再次解锁远红光新功能的又一力作，成功研发出了远红光调控的分割型split-Cas9基因编辑系统（简称FAST系统）。FAST系统不仅在体外培养的多种哺乳动物细胞中实现了内源基因的光控基因编辑，而且可以对动物体内的成体细胞实现光控基因编辑。研究人员还利用该系统对小鼠肿瘤中的致癌基因进行光控编辑，实现了通过LED发出的远红光(730 nm)照射抑制肿瘤生长的效果。
左：文章通讯作者叶海峰研究员；右：文章第一作者2017级博士研究生于袁欢
随着生命科学技术日新月异的发展，基因编辑技术对于我们来说其实并不陌生，该技术可以为研究细胞复杂的生物学功能提供便利的技术手段，为解决人类基因疾病带来希望和光明。尤其是近年来新兴的第三代基因编辑技术CRISPR-Cas9技术，既保证了良好的打靶效率，又更加简便、快捷、高效，且成本也大大降低，该技术几乎可以在任何物种的任何位置发挥作用，广受科学界瞩目，成为生命科学史上具有里程碑意义的生物技术。
然而，传统的CRISPR-Cas9系统存在较大的免疫原性以及不可控性产生脱靶效应，带来严重、不可预估的副作用；此外，也无法实现时空特异性的精准基因编辑，不能满足人们的应用需求。为了解决以上科学问题，本研究以低强度的远红光外部照射作为控制手段，借助于远红光本身的组织器官通透性高优势，能够在时间和空间上特异性的精准控制体内深层组织和器官的基因编辑。通俗地说，就是给传统的CRISPR-Cas9系统加上远红光控制“开关”，只有远红光照射时，系统才可以工作，从而极大地降低脱靶效应，并利用光控技术本身的优势实现时空特异性的精准基因编辑。
该精准、时空可控的FAST系统是叶海峰研究团队巧妙利用合成生物学、光遗传学、基因编辑等多学科技术交叉手段，将红细菌中响应远红光的蛋白BphS，链球菌中的转录因子BldD以及酿脓链球菌中的Cas9核酸酶经理性设计、组装和重编程而成的远红光调控的分割型split-Cas9基因编辑系统，其中Cas9核酸酶被分为N端（第1-713个氨基酸）和C端（第714-1368个氨基酸）两部分，分别融合了来自热纤维梭菌的一对能够自发相互结合的蛋白Coh2和DocS。只有当Cas9(N)-Coh2和DocS-Cas9(C))两种融合蛋白均表达完成时，N端Cas9和C端Cas9可以在Coh2和DocS的自发相互作用下结合到一起，形成有功能的完整Cas9核酸酶，从而发挥基因编辑功能。这种在细胞内短暂形成完整基因编辑功能的复合物形式，可以很大程度上减少Cas9蛋白带来的一系列副作用。
远红光调控的分割型split-Cas9基因编辑系统（FAST系统）的设计原理示意图
研究结果显示，FAST系统在LED发射的低强度远红光照射下可以诱导细胞内单个或多个内源基因的编辑。并且，FAST系统在多种细胞中均显示出可调控的基因编辑效果，并具有良好的光照强度、光照时间依赖性，以及高度的时空特异性。
鉴于FAST系统在体外研究中展现出的高度可控性，研究人员将该系统应用于以下两种模型小鼠中，进一步验证FAST系统的体内应用潜力：
?在tdTomato（一种红色荧光蛋白）转基因报告模型小鼠体内测试FAST系统在小鼠肝脏成体细胞中的基因编辑情况。通过流体动力学尾静脉注射方式将FAST系统递送至转基因报告小鼠的肝脏中，只有当完整功能的Cas9对loxP-STOP-loxP终止信号区域的DNA进行编辑后，tdTomato红色荧光蛋白才能被表达出来。因而，通过观察小鼠肝脏部位tdTomato的表达情况可以得知肝脏细胞中DNA被编辑的情况。肝脏器官成像和组织冰冻切片结果显示：相比于黑暗对照组，光照组小鼠肝脏中的tdTomato基因有显著的表达。
FAST系统介导的在tdTomato转基因报告小鼠[Gt(ROSA)26Sortm14(CAG-tdTomato)Hze]中的基因编辑
?在异种移植肿瘤（A549）模型小鼠中验证了FAST系统的疾病治疗应用潜力。将FAST系统递送至小鼠体内的肿瘤中，通过远红光的照射使得FAST系统切割肿瘤致癌基因PLK1即可显著抑制肿瘤的生长。两种模型小鼠体内的研究结果均证明FAST系统仅需使用低强度的远红光LED外部照射即具有良好的可调控体内基因编辑效果。
在异种移植肿瘤（A549）小鼠模型中，通过FAST系统介导基因编辑抑制肿瘤生长
总之，FAST系统展现出了远程无痕、低本底泄露，低脱靶效应，低毒性，高度时空特异精准性以及强组织穿透性等体内应用优势。这项研究作为一个精准、时空可控的基因编辑技术平台，提供了一种新型可控的基因编辑工具，扩展了当前CRISPR-Cas9基因编辑工具箱，有望应用于基因功能的研究，以及遗传病、肿瘤等多种疾病的精准可控治疗。
该研究受到了国家重点研发计划“合成生物学”重点专项、国家自然科学基金、上海市科委合成生物学重大项目的资助。
论文第一作者简介：
于袁欢，生命科学学院2017级博士研究生，现任校团委兼职副书记。于袁欢学习勤勉潜心钻研，参与发表四篇高水平SCI论文，申请6项国家发明专利，获研究生国家奖学金；结合专业学以致用，创新创业实现梦想，作为项目‘全球糖尿病诊疗革新者’的主要参与者，荣获2018年“创青春”全国大学生创业大赛金奖；第四届中国“互联网+”大学生创新创业大赛全国银奖。曾连续三年担任研究生党支部书记，充分发挥了支部的引领作用和党员的示范效应，荣获“2019年上海市教卫党委优秀共产党员”称号，2019年上海市“优秀共青团员”称号。为人正直，乐于助人，曾两次获得校“优秀学生”，校“优秀学生干部”，并荣获2018年“感动师大”青年学子提名奖。
论文通讯作者简介：
叶海峰教授是华东师范大学培养的硕士，博士毕业于瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich），2014年海外学习结束后回到母校参加工作。现任华东师范大学生命学院研究员、博导、华东师范大学医学合成生物学研究中心执行主任。主要从事合成生物学与生物医学工程领域的研究。开发了一系列用于基因和细胞治疗的精准控制体系，包括新型光遗传学工具、天然小分子基因控制开关、闭环智能诊疗器件等。相关研究成果以第一和通讯作者身份发表在Science、Science 子刊、Nature子刊、PNAS等杂志。
阅读原文：《Engineering a far-red light–activated split-Cas9 system for remote-controlled genome editing of internal organs and tumors》
图文、来源｜生命科学学院 编辑｜林易 编审｜吕安琪
